С низким пусковым током: корректоры коэффициента мощности от STM

Рисунок 4. Принципиальная схема широкополосного источника питания (плата EVL6562A-TM-80W)

Содержание

На сегодняшний день существует два подхода к созданию источников питания, обеспечивающих стабильное выходное напряжение или ток – параметрически стабилизированные и импульсные стабилизированные источники питания.

В линейных источниках питания выходной параметр стабилизируется нелинейным элементом. Импульсные – работают по принципу регулирования энергии в индукционной катушке с помощью одного или нескольких переключателей.

Преимуществом первого является низкий уровень высокочастотного шума, что важно для аналоговых устройств. Импульсные источники имеют преимущество в виде более высокой мощности и лучшего соотношения мощности к размеру. Они также имеют более высокий КПД. Вопросы сложности или простоты схем весьма спорны, поскольку современная промышленность предлагает широкий спектр решений, включая одночиповые решения, для любого применения.

Однако для сети линейные и импульсные источники питания являются нелинейными нагрузками – форма потребляемого тока будет отклоняться от синусоиды, что приводит к появлению дополнительных гармоник и, следовательно, дополнительной реактивной мощности, дополнительному нагреву и потерям в линиях электропередачи. Кроме того, другие потребители энергии вынуждены принимать дополнительные меры для защиты от возмущений в сети – особенно в случае мощного импульсного оборудования, работающего под нагрузкой. Пределы допустимых сетевых помех от работающего оборудования регламентируются соответствующими международными и национальными стандартами. Нет сомнений, что российские стандарты в этой области будут становиться все более строгими и приближаться к мировым. В результате именно те компании, которые освоят методы снижения сетевых помех, будут иметь значительное преимущество перед своими конкурентами.

Активные или пассивные выравниватели используются для снижения влияния потребителей тока на сеть. Пассивные эквалайзеры представляют собой катушки индуктивности, наиболее часто используемые в маломощном и не критичном по габаритам оборудовании. В других случаях подходят высокочастотные активные выравниватели, часто называемые корректорами коэффициента мощности (PFC или Power Factor Correction). Основными задачами КРП являются:

Для придания синусоидальной формы току, потребляемому из сети (снижение гармонических искажений);
Ограничение выходной мощности;
Защита от короткого замыкания;
Защита от пониженного и повышенного напряжения.

Фактически, PFC можно рассматривать как своего рода буферный каскад (схему), который уменьшает взаимное влияние сети и источника питания.

Типичная структура эквалайзера мощности показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Типовая схема корректора коэффициента мощности

PFC может быть реализована не только на дискретных элементах, но и с помощью специализированных интегральных схем – контроллеров PFC (выравнивателей PFC). К основным производителям контроллеров корректора коэффициента мощности относятся:

STMicroelectronics – L4981, L656x;

Texas Instruments- UCx854, UC28xx;

International Rectifier-. IR115x;

ON Semiconductor-. MC3x262, MC33368, NCP165x, NCP160x;

Fairchild Semiconductor-. FAN48xx, FAN69x, FAN7527;

Linear Technology Corporation- LTC1248.

Исходя из вышеизложенных соображений, можно сформулировать определение коэффициента мощности:

Корректор коэффициента мощности

В последние десятилетия количество электронных устройств, используемых в домах, офисах и на заводах, значительно возросло, и в большинстве из них используются импульсные источники питания. Эти источники генерируют гармонические и нелинейные искажения тока, которые негативно влияют на сетевые кабели и подключенные к ним устройства. Эти эффекты отражаются не только в различных видах различные виды помехкоторые не только влияют на работу чувствительного оборудования, но и перегрев нейтрального проводника. Когда в нагрузке протекают токи со значительными гармониками, которые не находятся в фазе с напряжением, ток в нейтральном проводнике (который практически равен нулю при симметричной нагрузке) может возрасти до критического значения.

Международная электротехническая комиссия (IEC) и Европейская организация по электротехнической стандартизации (CENELEC) приняли стандарты IEC555 и EN60555, которые определяют пределы содержания гармоник во входном токе вторичных источников питания, электронных нагрузок для люминесцентных ламп, контроллеров двигателей постоянного тока и подобных устройств.

Одним из эффективных способов достижения этой цели является использование PFC (коррекция коэффициента мощности). На практике это означает, что во входную цепь практически каждого электронного устройства с повышающими преобразователями должна быть включена специальная схема КРМ для снижения или полного подавления гармоник в токе.

Коррекция коэффициента мощности

Типичный импульсный источник питания состоит из сетевого выпрямителя, сглаживающего конденсатора и преобразователя напряжения. Такой источник потребляет мощность только тогда, когда напряжение от выпрямителя до сглаживающего конденсатора выше, чем напряжение на сглаживающем конденсаторе, что происходит примерно в течение четверти времени. В остальное время источник не потребляет энергию из сети, поскольку нагрузка питается от конденсатора. Это означает, что нагрузка потребляет мощность только в пик напряжения, а потребляемый ток имеет форму короткого импульса и содержит ряд гармоник (см. рис. 1).

Источник вторичного питания с коррекцией коэффициента мощности потребляет ток с низким уровнем гармонических искажений, потребляет энергию из сети более равномерно и имеет более низкий коэффициент амплитуды (отношение амплитуды тока к его среднеквадратичному значению), чем источник без коррекции. Коррекция коэффициента мощности уменьшает среднеквадратичное значение потребляемого тока, позволяя подключать больше различных устройств к одной розетке без возникновения чрезмерного тока в сети (см. рис. 2).

Коэффициент мощности

Коэффициент мощности PF является мерой искажения, создаваемого нагрузкой, в данном случае вспомогательным источником питания, в цепи переменного тока. Существует два типа искажений – гармонические и нелинейные. Гармонические искажения вызваны реактивной нагрузкой и представляют собой сдвиг фаз между током и напряжением. Нелинейные искажения вносятся в сеть “нелинейными” нагрузками. Это искажение выражается как отклонение формы волны тока или напряжения от синусоиды. В случае гармоническое искажение Коэффициент мощности – это косинус разности фаз между током и напряжением или отношение активной мощности к полной мощности, потребляемой из сети. На нелинейные искажения Коэффициент мощности – это отношение мощности первой гармонической составляющей тока к общей мощности, потребляемой оборудованием. Его можно рассматривать как показатель равномерности мощности, потребляемой устройством из сети.

В целом Коэффициент мощности – это произведение косинуса угла разности фаз между напряжением и током и косинуса угла между вектором основной гармоники и вектором полного тока. К такому определению приводят следующие соображения. Эффективный ток, протекающий в активной нагрузке, имеет вид

где I 2 _peff – постоянная составляющая (нулевая для синусоидального напряжения), I 2 _1eff – это фундаментальная составляющая и, под знаком суммы, низшие гармоники. В случае работы с реактивной нагрузкой в выражении появляется компонент реактивности, который принимает вид

I 2 _eff=I 2 ₀+(I 2 _1eff(P) +I 2 _1eff(Q))+SI 2 _peff. Активная мощность – это периодическое среднее значение мощности, подаваемой на активную нагрузку.

Его можно представить как произведение среднеквадратичного напряжения и активной составляющей тока P=U_eff W I_1eff(P). С физической точки зрения, это энергия, выделяемая в виде тепла в единицу времени при активном сопротивлении. Реактивная мощность определяется как произведение среднеквадратичного напряжения и реактивной составляющей тока: Q=U_eff W I_1eff(Q). В физическом смысле это энергия, которая дважды за период перекачивается от генератора к нагрузке и дважды от нагрузки к генератору. Полная мощность – это произведение среднеквадратичного напряжения и среднеквадратичного тока: S=U _eff × I_{мощность (общая)}. В комплексной плоскости его можно представить как сумму векторов P и Q, откуда следует соотношение I 2 =I_{1эфф(общий)} cos j, где j – угол между векторами P и Q, который также характеризует разность фаз между током и напряжением в цепи.

Исходя из вышеизложенных соображений, можно сформулировать определение коэффициента мощности:

Стоит отметить, что соотношение (I_1eff)/(I_eff(sum) ) – это косинус угла между векторами, соответствующими среднеквадратическому значению полного тока и среднеквадратическому значению его первой гармоники. Если обозначить этот угол через q, то выражение для коэффициента мощности примет вид: PF=cos j × cos q. Целью коррекции коэффициента мощности является максимально возможное приближение фазового угла j между напряжением и током и угла q гармонического искажения тока (другими словами, приведение кривой тока к синусоидальной форме и максимально возможная компенсация фазовых колебаний).

Коэффициент мощности выражается в десятичной форме и имеет значение от 0 до 1. Его идеальное значение равно единице (для сравнения, типичный импульсный источник питания без коррекции имеет коэффициент мощности около 0,65), 0,95 – хорошее значение; 0,9 – удовлетворительное значение; 0,8 – неудовлетворительное значение. Использование коррекции коэффициента мощности может улучшить коэффициент мощности устройства с 0,65 до 0,95. Значения в диапазоне 0,97…0,99 также вполне реальны. В идеале, когда коэффициент мощности равен единице, устройство потребляет из сети синусоидальный ток с нулевой фазой и напряжением, что соответствует полностью активной нагрузке линейного напряжения.

Пассивная коррекция коэффициента мощности

Пассивный метод чаще всего используется в недорогих приложениях с низким потреблением тока (где не предъявляются жесткие требования к току низкой гармоники). Пассивная коррекция коэффициента мощности позволяет получить значение коэффициента мощности около 0,9. Это удобно, когда источник питания уже спроектирован, остается только создать подходящий фильтр и включить его во входную цепь.

Пассивная коррекция коэффициента мощности заключается в фильтрации потребляемого тока с помощью полосового фильтра LC. Этот метод имеет ряд ограничений. LC-фильтр может быть эффективен в качестве корректора коэффициента мощности только в том случае, если напряжение, частота и нагрузка изменяются в узком диапазоне . Поскольку фильтр должен работать в низкочастотном диапазоне (50/60 Гц), его компоненты имеют большие размеры, вес и низкий коэффициент качества (что не всегда приемлемо). Первый Во-первых, количество компонентов в пассивной системе намного меньше, поэтому время наработки на отказ больше, и во-вторыхво-вторых, пассивная эквализация генерирует меньше электромагнитных и контактных шумов, чем активная эквализация.

Активная коррекция коэффициента мощности

Активный корректор коэффициента мощности должен удовлетворять трем условиям:

1) Форма потребляемого тока должна быть как можно ближе к синусоиде и находиться в фазе с напряжением. Мгновенное значение тока, потребляемого от источника, должно быть пропорционально мгновенному напряжению сети.

2) Мощность, потребляемая от источника, должна оставаться постоянной даже при изменении напряжения в сети. Это означает, что при снижении напряжения сети ток нагрузки должен увеличиваться, и наоборот.

3) Выходное напряжение эквалайзера PFC не должно зависеть от величины нагрузки. Когда напряжение на нагрузке уменьшается, ток через нагрузку должен увеличиваться, и наоборот.

Существует несколько схем, с помощью которых может быть реализована активная коррекция коэффициента мощности. В настоящее время наиболее популярной является схема “повышающего преобразователя”. Эта схема отвечает всем требованиям, предъявляемым к современным источникам питания. Прежде всего Во-первых, он позволяет работать при различных напряжениях питания (от 85 до 270 В) без ограничений и дополнительных настроек. Во-вторых Он менее восприимчив к отклонениям электрических параметров сети (скачки напряжения или кратковременное отключение). Еще одним преимуществом этой схемы является более простая реализация защиты от перенапряжений. Упрощенная схема “повышающего преобразователя” показана на рисунке 3.

Принцип работы

Стандартный корректор коэффициента мощности представляет собой преобразователь AD/DC с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Модулятор управляет мощным переключателем (обычно MOSFET), который преобразует постоянное напряжение или выпрямленное напряжение сети в последовательность импульсов, после выпрямления которых на выходе появляется постоянное напряжение.

Временные диаграммы эквалайзера показаны на рисунке 4. При включении переключателя MOSFET ток в дросселе линейно возрастает – диод блокируется, а конденсатор C2 разряжается на нагрузку. Затем, когда транзистор закрывается, напряжение на дросселе “открывает” диод, и энергия, накопленная в дросселе, заряжает конденсатор C2 (а также питает нагрузку). В приведенной выше схеме (в отличие от некоррелированного источника) конденсатор C1 имеет небольшую емкость и служит для фильтрации высокочастотного шума. Частота преобразования составляет 50. 100 кГц. В простейшем случае схема работает с постоянным рабочим циклом. Существуют способы повышения эффективности коррекции путем динамического изменения рабочего цикла (подстраивая цикл под огибающую напряжения от сетевого выпрямителя).

Схема “повышающего преобразователя” может работать в режиме три режима: непрерывный , дискретный и так называемыйрежим критической проводимости “. В дискретный В непрерывном режиме ток в дросселе успевает “упасть” до нуля в каждом периоде и начинает снова расти через короткое время. непрерывный – Ток, не достигнув нуля, снова начинает расти. Режим критическая проводимость используется реже, чем два предыдущих. Он более сложен в реализации. Это означает, что MOSFET открывается, когда ток дросселя достигает нуля. Такой режим работы облегчает регулирование выходного напряжения.

Выбор режима зависит от требуемой выходной мощности источника питания. Устройства мощностью свыше 400 Вт будут работать в непрерывном режиме, а устройства малой мощности – в дискретном. Активная коррекция коэффициента мощности позволяет получить значение 0,97. 0,99 при THD (полное гармоническое искажение) 0,04. 0,08.

Его значение заключается в том, что MOSFET открывается, когда ток дросселя достигает нуля. Этот режим работы облегчает регулирование выходного напряжения.

Корректоры коэффициента мощности

На сегодняшний день существует два подхода к разработке источников питания, обеспечивающих стабильное выходное напряжение или ток – источники питания с параметрической стабилизацией и источники питания с импульсной стабилизацией.

В линейных источниках питания выход стабилизируется нелинейным элементом. Импульсные – работают по принципу регулирования энергии в индукционной катушке с помощью одного или нескольких переключателей.

Они также имеют более высокую эффективность. Вопросы сложности или простоты схемы являются весьма спорными, поскольку

Современная промышленность предлагает широкий спектр решений, включая одночиповые решения, для любого применения.

Однако для сети линейные и импульсные источники питания являются нелинейной нагрузкой – форма потребляемого тока будет отклоняться от синусоиды, что приведет к появлению дополнительных гармоник и, следовательно, дополнительной реактивной мощности, дополнительному нагреву и потерям в линии электропередачи. Кроме того, другие потребители энергии вынуждены принимать дополнительные меры для защиты от возмущений в сети – особенно в случае мощного импульсного оборудования, работающего под нагрузкой. Пределы допустимых сетевых помех от работающего оборудования регламентируются соответствующими международными и национальными стандартами. Нет сомнений, что российские стандарты в этой области будут становиться все более строгими и приближаться к мировым. В результате, именно те компании, которые освоят методы снижения сетевых помех, получат значительное конкурентное преимущество.

Активные или пассивные эквалайзеры используются для уменьшения влияния текущего приемника на сеть.

Пассивные эквалайзеры – это индукторы, наиболее часто используемые в маломощном и не критичном по габаритам оборудовании.

В других случаях подходят высокочастотные активные выравниватели, часто называемые корректорами коэффициента мощности (PFC или Power Factor Correction). Основными задачами КРП являются:

Для придания синусоидальной формы току, потребляемому из сети (снижение гармонических искажений);
Ограничение выходной мощности;
Защита от короткого замыкания;
Защита от пониженного и повышенного напряжения.

Фактически, CCM можно рассматривать как своего рода буферный каскад (схему), который уменьшает взаимное влияние сетевого питания и источника питания.

Типичная структура эквалайзера мощности показана на рисунке 1.

Рисунок 1: Типичная схема корректора коэффициента мощности

STMicroelectronics – L4981, L656x;

Texas Instruments- UCx854, UC28xx;

International Rectifier- IR115x;

ON Semiconductor- MC3x262, MC33368, NCP165x, NCP160x;

Fairchild Semiconductor – FAN48xx, FAN69x, FAN7527;

Корпорация Linear Technology – LTC1248.

Драйверы QC от STMicroelectronics

STMicroelectronics предлагает несколько серий высокопроизводительных контроллеров QC для различных режимов работы. Дополнительные опции упрощают проектирование импульсных источников питания с учетом стандартов энергосбережения и требований к искажениям в сети.

Таблица 1. Контроллеры коррекции коэффициента мощности от STMicroelectronics

Микрочип Дело Режим работы Напряжение питания, В Потребляемый ток, мА в активном режиме/при запуске (низкое энергопотребление) Примечание

L4981	PDIP 20; SO-20	SSM	19,5	12/0,3	Мягкий старт; защита от перенапряжения, перегрузки по току
L6561	DIP-8; SO-8	ТМ	11…18	4/0,05	Защита от перенапряжения
L6562A	DIP-8; SO-8	ТМ, фиксированное время отключения	10,5…22,5	3,5/0,03	Защита от перенапряжения
L6562AT	SO-8	ТМ, фиксированное время отключения	10,5…22,5	3,5/0,03	Защита от перенапряжения
L6563H	SO-16	ТМ, импульс для отслеживания	10,3…22,5	5/0,09	Пуск при высоком напряжении; защита от перенапряжения, контуры обратной связи, защита от насыщения индуктора
L6563S	SO-14	ТМ, импульс для отслеживания	10,3…22,5	5/0,09	Пуск при высоком напряжении; защита от перенапряжения, контуры обратной связи, защита от насыщения индуктора
L6564	SSOP 10	ТМ, импульс для отслеживания	10,3…22,5	5/0,09	Высоковольтный пуск; защита от перенапряжения, обрыва обратной связи, насыщения индуктора

Схема регулятора выравнивания мощности L4981 позволяет создавать высокопроизводительные источники питания с синусоидальным потреблением тока. Коэффициент мощности может достигать 0,99 при низком содержании гармоник. Сама микросхема основана на технологии BCD 60II и работает по принципу управления средним током (CCM), поддерживая синусоидальный выходной ток.

Микросхема L4981 может использоваться в системах с напряжением питания 85…265 В без внешнего драйвера переключателя питания. В серии “А” используется фиксированная частота для ШИМ-регулятора; в серии “В” дополнительно используется частотная модуляция для оптимизации входного фильтра.

Он также включает прецизионный источник опорного напряжения, усилитель рассогласования, схему блокировки критического падения напряжения, датчик тока, схему плавного пуска и защиту от перенапряжения и перегрузки по току. Уровень защиты по току для L4981A устанавливается внешним резистором; в серии L4981B для повышения точности используется внешний делитель напряжения.

Boost SWM с коэффициентом мощности до 0,99;
Искажение тока не более 5%;
Универсальный вход;
Мощный выходной каскад (биполярный и MOSFET);
Защита от короткого замыкания по напряжению с гистерезисом и программируемым порогом включения;
Встроенный источник опорного напряжения с точностью 2% (доступен извне);
Низкий пусковой ток (

Серия L6561 является усовершенствованной версией контроллера L6560 PFC (полностью совместима с ним). Ключевые инновации:

Улучшенный аналоговый умножитель, позволяющий устройству работать в широком диапазоне входных напряжений (от 85 до 265 В) с превосходными значениями коэффициента гармоник (THD);
Пусковой ток снижается до нескольких миллиампер (

Основные характеристики, включенные в смешанную технологию BCD:

Очень низкий пусковой ток (

Выходной каскад способен управлять MOS или IGBT силовыми ключами с током управления до 400 мА. Схема работает в переходном режиме (TM) – промежуточном между непрерывным режимом (CCM) и прерывистым режимом (DCM). L6561 оптимизирован для цепей питания балластов газоразрядных ламп, сетевых источников питания, импульсных источников питания.

CCM L6562A/L6562AT также работает в переходном режиме (TM) и совместим со своими предшественниками L6561 и L6562.

Его умножитель высокого напряжения имеет специальную схему, которая уменьшает рассогласование входного переменного тока, что позволяет ему работать в широком диапазоне входного напряжения с низким уровнем гармонических искажений при различных нагрузках.

Выходное напряжение управляется операционным усилителем с высокоточным источником опорного напряжения (точность до 1%).

Ток потребления L6562A/L6562AT в режиме холостого хода составляет около 60 мкА, а рабочий ток – всего 5 мА. Вход управления включением/выключением позволяет легко создавать конечные устройства, соответствующие стандартам Blue Angel, EnergyStar, Energy2000 и некоторым другим.

Эффективная двухуровневая система защиты от перенапряжений срабатывает даже в случае перегрузки при запуске или в случае потери нагрузки во время работы.

Выходной каскад способен обеспечить выходной ток до 600 мА и входной ток до 800 мА, что достаточно для управления высокопроизводительными MOSFET транзисторами или IGBT переключателями. В дополнение к вышеперечисленным возможностям, микросхема L6562A может работать в запатентованном режиме Fixed-Off-Time – рисунок 2.

Рисунок 2: Временные диаграммы контроллера CCM в режиме фиксированного времени выключения

Контроллеры КРМ серий L6563, L6563S, L6563H, L6564 основаны на типичном корректоре коэффициента мощности, работающем в режиме TM, с рядом дополнительных функций.

L6563, L6563S имеют режим Tracking boost, двунаправленный вход предсказания напряжения, вход разрешения, точный источник опорного напряжения (точность при 25° C в пределах 1…1,5%).

Кроме того, на кристалле интегрированы: схема защиты от перенапряжения с регулируемым порогом, прерывание цепи обратной связи (отключение схемы), насыщение катушки (отключение схемы), программируемое обнаружение критического падения переменного напряжения.

Максимальный ток потребления микросхемы L6563x не превышает 6 мА в активном режиме, пусковой ток составляет менее 100 мкА.

ИС контроллера коррекции коэффициента мощности L6562A

Области применения контроллера PFC включают:

Импульсные источники питания, соответствующие стандартам IEC61000-3-2 (телевизоры, мониторы, компьютеры, игровые консоли);
AC/DC конвертеры/зарядные устройства мощностью до 400 Вт;
Электронный балласт;
Серверы входного уровня и веб-серверы.

Основные характеристики L6562A включают:

Собственное решение по мультипликаторам;
Настраиваемые уровни защиты от перенапряжений;
Сверхнизкий пусковой ток – 30 мкА;
Низкий ток покоя 2,5 мА;
Мощный выходной каскад для управления силовыми выключателями -600, 800 мА.

Микросхемы выпускаются в компактных восьмиконтактных корпусах DIP-8 и SO-8. Блок-схема микросхемы L6562A показана на рисунке 3.

Рисунок 3: Блок-схема контроллера L6562A CCM

Обратный вход усилителя ошибки разделяет функцию разрешающего выхода ИС. Когда напряжение ниже 0,2 В, оно выключает микросхему, тем самым снижая ее энергопотребление, а когда оно превышает порог 0,45 В, микросхема переходит в активный режим.

Основное назначение этой функции – управление регулятором CCM, напр. Он может управляться ШИМ-регулятором следующего за ним преобразователя напряжения.

Дополнительной особенностью функции отключения является автоматическое отключение в случае замыкания напряжения на землю на низкоомном резисторе выходного делителя или обрыва цепи делителя.

Выходной сигнал усилителя ошибки подается на его обратный вход через компенсирующие цепи обратной связи. Фактически, работа этих схем определяет стабильность выходного напряжения, высокий коэффициент мощности и низкое содержание гармоник.

После выпрямителя основное напряжение питания подается на вход умножителя через делитель напряжения и служит синусоидальным опорным сигналом для контура тока.

Напряжение с измерительного резистора в цепи силового выключателя подается на вход компаратора ШИМ, где оно сравнивается с синусоидальным опорным сигналом для определения времени размыкания выключателя. Чтобы уменьшить влияние импульсного шума, в аппаратном обеспечении была реализована задержка в 200 нс от фронта импульса. По отрицательному фронту импульса размагничивания индукционной катушки выключатель питания замыкается.

Примером схемы включения L6562A может быть источник повышающего напряжения 400 В (рис. 4).

Рисунок 4: Принципиальная схема широкополосного источника питания (плата EVL6562A-TM-80W)

Второй пример – использование L6562A в качестве компонента источника питания для светодиодных ламп (рис. 5).

Рисунок 5: Схема блока питания для светодиодных светильников (отладочная плата EVL6562A-LED)

L6562A имеет специальную схему, которая уменьшает влияние переходных процессов вокруг нулевого входного переменного напряжения, когда диоды в выпрямительном мосте еще закрыты и ток через мост равен нулю.

Для борьбы с этим эффектом микросхема заставляет контроллер PFC подавать больше энергии, когда напряжение сети становится выше нуля (увеличивая время размыкания выключателя питания).

В результате уменьшается интервал времени, в течение которого потребляемая схемой мощность (ток) недостаточна, и конденсатор фильтра, расположенный ниже по потоку от моста, полностью разряжается.

Низкое опорное напряжение позволяет использовать меньший резистор для измерения тока в цепи силового переключателя, соответственно, снижается рассеиваемая мощность (меньшая рассеиваемая мощность ® меньший нагрев ® меньшие требования к охлаждению и вентиляции).

Низкие входные токи динамической защиты от перенапряжения позволяют использовать верхний высокоомный резистор в делителе напряжения цепи обратной связи по напряжению без увеличения влияния шумов. В результате ток потребления схемы в режиме ожидания снижается (что важно для стандартов энергосбережения). В таблице 2 приведены основные параметры контроллера CCM L6562A.

Таблица 2: Основные рабочие параметры L6562A

Все это делает L6562A отличным недорогим решением для систем ИБП мощностью до 350 Вт, соответствующих стандарту EN61000-3-2.
Варианты применения и типовые методы расчета узлов для схем L6562A/AT приведены в руководствах по применению; см. список основных документов ниже.
AN3159: STEVAL-ILH005V2: Электронный балласт HID 150 Вт – Встроенный электронный балласт до 150 Вт.
AN2761: Решение по проектированию пререгулятора КРМ в переходном режиме с использованием микросхемы L6562A – Примеры проектирования пререгулятора КРМ в переходном режиме на основе микросхемы L6562A.
AN2782: Проектное решение для пререгулятора КРМ 400 Вт с фиксированным временем работы с использованием L6562A – Пример проектирования пререгулятора КРМ 400 Вт на основе L6552A в фиксированном выключенном состоянии.
AN2928: Модифицированный buck-преобразователь для светодиодного применения – Модифицированный buck-преобразователь для светодиодного освещения.
AN3256: Недорогой светодиодный драйвер для лампы A19 – Светодиодный драйвер для лампы A19 по низкой цене.
AN2983: Светодиодный драйвер постоянного тока с инверсной схемой с использованием микросхемы L6562A – Светодиодный драйвер постоянного тока с использованием микросхемы L6562A.

Другим производителем контроллеров CrM является Fairchild Semiconductor. Чип FAN6920MR сочетает в себе контроллер CrM QCM и квазирезонансный ШИМ-контроллер в одном корпусе. Для коррекции коэффициента мощности в микросхеме используется метод управления по времени, что позволяет ей одновременно работать в качестве CCM и регулировать выходное напряжение.

Понимание различных методов коррекции коэффициента мощности для преобразователей AC/DC

По определению, коэффициент мощности (КМ) источника переменного тока – это отношение активной мощности в ваттах, подаваемой на нагрузку, к явной мощности (кажущейся), подаваемой на нее, рассчитываемой как произведение тока и напряжения. Коэффициент мощности может быть выражен в форме

Из приведенного выше выражения следует, что коэффициент мощности может принимать значения от 0 до 1. Поэтому, когда ток и напряжение синусоидальны и находятся в фазе, коэффициент мощности равен 1. Однако, если ток и напряжение синусоидальны, но их фазы смещены, кажущаяся мощность будет больше активной мощности, и в этом случае коэффициент мощности будет равен косинусу фазового угла между током и напряжением. Коэффициент мощности 1 – это идеальный случай, когда нагрузка является чисто резистивной и линейной. В действительности автономные источники питания переменного/постоянного тока, используемые в электронных системах, являются импульсными и представляют собой нелинейные нагрузки.

Сегодня чаще всего используются импульсные источники питания, искажающие синусоидальную форму входного тока и напряжения и вызывающие сдвиг фаз между ними. Когда фазы тока и напряжения не согласованы, коэффициент мощности меньше 1. Помимо потерь, коэффициент мощности меньше единицы приводит к появлению гармоник, которые смещают напряжение нейтрали и негативно влияют на работу другого оборудования, подключенного к сети. Чем ниже коэффициент мощности, тем выше содержание гармоник в сети переменного тока и наоборот.

По этой причине существуют строгие правила, ограничивающие уровень нелинейных искажений, допустимых в сетях переменного тока. Например, стандарт EN61000-3-2 [1] был разработан в Европе для определения допустимого уровня отражения гармоник от электронных устройств обратно в электросеть. Он распространяется на все электронные системы класса D (компьютеры, ноутбуки, мониторы, радиоприемники и телевизоры), потребляющие более 75 Вт. Класс D – это одна из категорий (A, B, C, D) электронных устройств, определенных в стандарте EN61000-3-2, который определяет различные допуски на нелинейные искажения тока в каждом классе. В настоящее время этот стандарт принят во всем мире.

Для того чтобы соответствовать стандартам по уровню нелинейных искажений и поддерживать высокие значения коэффициента мощности, коррекция коэффициента мощности (ККМ) должна применяться в модулях AC/DC-преобразователей, питающих электронное оборудование с потребляемой мощностью более 75 Вт. Внедрение коррекции коэффициента мощности позволяет достичь высоких значений коэффициента мощности и гарантирует снижение гармоник в сети переменного тока. Существует множество пассивных и активных схем коррекции коэффициента мощности (ККМ) для различных входных топологий источников питания.

Пассивная коррекция коэффициента мощности

Простейшим способом борьбы с гармониками тока является использование пассивного фильтра, пропускающего только ток сетевой частоты (50 Гц или 60 Гц) [2]. Этот фильтр подавляет гармоники в токе, и нелинейное устройство, подключенное к сети, теперь больше похоже на линейное устройство. С помощью фильтра, состоящего из конденсаторов и индукторов, коэффициент мощности может быть доведен до значений, близких к единице. Однако это имеет тот недостаток, что требует использования сильноточных индукторов и высоковольтных конденсаторов, которые занимают много места и очень дороги.

Рисунок 1.

Сравнение кривых показывает, что активный контроллер CCM в источнике питания значительно лучше пассивного эквалайзера, намного превосходя спецификацию EN/IEC61000-3-2 для гармоник переменного тока. (Информация предоставлена компанией ON Semiconductor).

На рисунке 1 показаны входные гармоники для трех различных компьютерных источников питания мощностью 250 Вт с учетом ограничений, налагаемых спецификацией EN/IEC61000-3-2 для устройств класса D. Амплитуды гармоник пропорциональны входной мощности этих устройств. Пассивная RCC обеспечивает соответствие стандарту только для третьей гармоники. Источник питания с активной цепью RCC не только соответствует спецификации EN/IEC61000-3-2, но и значительно превосходит ее требования.

Несмотря на простоту конструкции и применения, пассивные схемы КРМ имеют ряд недостатков. Во-первых, размер индуктора накладывает ограничения на их использование во многих приложениях. Во-вторых, для использования устройства во всех странах потребуется селектор диапазона напряжения питания. Это повышает риск выхода устройства из строя из-за ошибки пользователя при настройке переключателя. Наконец, напряжение питания не регулируется, что влияет на стоимость и производительность DC/DC-преобразователя, стоящего за схемой CCM.

Активные корректоры коэффициента мощности

Помимо хороших эксплуатационных характеристик, рост цен на медь и материалы магнитного сердечника в сочетании с постоянным снижением стоимости полупроводниковых компонентов склоняет чашу весов в пользу активных DCC даже для самых чувствительных к стоимости потребительских устройств. В приведенной ниже схеме (рис. 2) между входным выпрямителем и накопительным конденсатором находится активный RCC, за которым следует DC/DC-преобразователь. Схема RCC с соответствующими компонентами создает входной ток, который следует за формой волны входного напряжения, достигая значения коэффициента мощности 0,9 или выше.

Рисунок 2.

Активная схема регулятора RCC расположена между входным выпрямителем и накопительным конденсатором. (Информация предоставлена компанией ON Semiconductor).

Существует три основных класса ИС активных контроллеров RCC, которые различаются по режиму работы:

Критико-кондуктивный режим (ККР),
Режим непрерывной проводимости (CCM),
Режим прерывистой проводимости (DCM).

Эти контроллеры предлагаются несколькими производителями, каждый из которых использует свои собственные аргументы для обоснования целесообразности и сферы применения того или иного чипа.

Цепи управления критическим режимом проводимости поддерживают ток индуктора на границе между непрерывной и прерывистой проводимостью. Некоторые производители предпочитают называть этот режим Boundary-Conduction Mode (BCM). Так как форма сигнала тока в этой цепи всегда известна, соотношение между средним и пиковым током также известно. ON Semiconductor производит различные схемы BCM с критическим режимом регулирования напряжения проводимости для источников питания средней мощности (до 300 Вт). Одним из последних примеров в этой категории являются контроллеры MC34262/MC33262.

Другим производителем контроллеров CrM QC является компания Fairchild Semiconductor. Его чип FAN6920MR сочетает в себе контроллер CrM PQM и квазирезонансный ШИМ-контроллер в одном корпусе. Микросхема использует метод управления по времени для коррекции коэффициента мощности, что позволяет ей работать в качестве КРМ и одновременно регулировать выходное напряжение.

Благодаря снижению пиковых токов, уменьшению пульсаций и упрощению фильтрации режим непрерывной проводимости широко используется во многих приложениях средней и высокой мощности. Несколько ключевых производителей предлагают контроллеры режима CCM, включая Fairchild Semiconductor, Infineon Technologies, International Rectifier, NXP Semiconductor, ON Semiconductor, Power Integrations и Texas Instruments.

Режим прерывистой проводимости предпочтителен для устройств малой и средней мощности. В этой области контроллер Active CCM компании Cirrus Logic использует цифровую технологию для устранения ряда внешних компонентов, необходимых для реализации аналогового режима, и предлагает недорогое решение для источников питания ноутбуков, компьютеров и цифровых телевизоров. Для достижения коэффициента мощности, близкого к единице, и снижения электромагнитного излучения микросхема CS1500 (рис. 3) использует алгоритмы управления временем включения и рабочей частотой.

Рисунок 3.

Цифровой контроллер CCM компании Cirrus Logic реализует адаптивный цифровой алгоритм для генерации входного переменного тока, который повторяет форму входного напряжения.

Приложение

Благодаря строгим стандартам, таким как EN/IEC61000-3-2 и его глобальным производным, в последние годы увеличилось число производителей контроллеров КРМ, что дает разработчикам больше возможностей для создания решений с коэффициентом мощности, близким к единице, при низкой стоимости и минимальном количестве компонентов. Мы исследовали топологию как пассивных, так и активных корректоров коэффициента мощности и представили некоторые контроллеры, заслуживающие особого внимания.

Результаты моделирования входных токов и их гармоник трех 200-ваттных компьютеров при активной нагрузке 600 Вт и единичном коэффициенте мощности показаны на рис. 7c и 7d. Большая разница в токе основной гармоники пассивной и активной систем коррекции коэффициента мощности, нагруженных на 600 Вт, объясняется тем, что пассивная система коррекции коэффициента мощности потребляет прерывистый несинусоидальный ток с высоким содержанием гармоник и работает при низком коэффициенте мощности.

Экспериментальные результаты

Для того чтобы лучше понять работу вышеописанной системы, было проведено моделирование в программе P-Spice. Полученные результаты сравнивались с результатами, полученными для построенного нами прототипа предлагаемой системы коррекции коэффициента мощности мощностью 600 Вт. Активная цепь коррекции коэффициента мощности имеет коэффициент мощности, равный единице, и поэтому представляет собой активную нагрузку мощностью 600 Вт. Рис. 7a показана схема, используемая для моделирования активной коррекции коэффициента мощности. На рис. 7б показано моделирование трех параллельно подключенных компьютерных нагрузок мощностью 200 Вт. Эти нагрузки были смоделированы как импульсные источники питания (SMPS) с фиксированной мощностью 200 Вт с пассивной коррекцией коэффициента мощности. Их внутреннее расположение аналогично рис. 3а.

Результаты моделирования входных токов и их гармоник трех компьютеров мощностью 200 Вт в сравнении с активной нагрузкой мощностью 600 Вт с одним коэффициентом мощности показаны на рис. 7c и 7d. Большая разница в значениях тока основной гармоники между пассивной и активной системами коррекции коэффициента мощности, нагруженными на 600 Вт, объясняется тем, что пассивная система коррекции коэффициента мощности потребляет прерывистый несинусоидальный ток с высоким содержанием гармоник и работает при низком коэффициенте мощности.

Форма сигнала на рисунке 8a показывает результаты измерений, выполненных на трех компьютерах мощностью 200 Вт, подключенных параллельно. Все эти компьютеры имеют встроенные пассивные системы коррекции коэффициента мощности. Канал 1 показывает форму сигнала входного напряжения, канал 2 – ток, потребляемый тремя компьютерами с фиксированной мощностью 200 Вт без общей схемы коррекции коэффициента мощности. Обратите внимание, что переменное напряжение имеет слегка уплощенную форму в вершинах синусоиды. Как упоминалось выше, это связано с наличием нескольких электронных устройств малой мощности, подключенных к сети. Измеренное напряжение CGI составило около 4% в системе с центральной коррекцией коэффициента мощности и в системе с активной коррекцией коэффициента мощности.

Форма сигнала на рис. 8б показывает результаты измерений, выполненных на прототипе 600 Вт предлагаемой активной системы коррекции коэффициента мощности, подключенной к сети. Результаты измерений согласуются с результатами моделирования. Канал 1 показывает осциллограмму входного напряжения, а канал 2 – ток потребления общей цепи коррекции коэффициента мощности с тремя фиксированными нагрузками, подключенными как импульсные источники питания мощностью 200 Вт.

Наилучшим способом улучшения коэффициента мощности и снижения гармоник сетевой частоты является использование относительно простых схем активной коррекции коэффициента мощности (ККМ) на основе повышающих преобразователей в импульсных источниках питания. Здесь в схему входного выпрямителя добавляется не только индуктор, но и полевой транзистор с драйвером и контроллером, а также диод.

PFC коррекция коэффициента мощности

Коэффициент мощности и коэффициент гармоник сетевой частоты являются важными показателями качества электроэнергии, особенно для электронных устройств, которые питаются от этой электроэнергии.

Для поставщика переменного тока желательно, чтобы коэффициент мощности нагрузки был близок к единице, а для электронных устройств важно, чтобы гармонические искажения были как можно ниже. В таких условиях и электронные компоненты оборудования будут жить дольше, и работать с нагрузкой будет комфортнее.

По сути, проблема заключается в том, что обычный линейный источник питания не способен обеспечить электронное оборудование энергией требуемого качества и с высоким КПД. Поэтому следует считать, что КПД 80% в линейном источнике питания с коэффициентом мощности около 0,7 является нормой.

Причина этой проблемы в том, что диодный мост с фильтрующим конденсатором находится на входе обычного импульсного источника питания, и даже если потребитель выпрямленного тока является линейной нагрузкой, ток, подаваемый из сети на диодный мост, все равно будет иметь скачки, характерные изолированные пики, между которыми есть промежутки с нулевым потреблением сетевого тока.

Это происходит потому, что конденсатор фильтра заряжается и разряжается неравномерно, что приводит к снижению коэффициента мощности – фактически, энергия из сети потребляется короткими импульсами – один импульс тока на каждый полупериод синусоиды сети.

В цепи, питающейся от такого фильтрующего конденсатора, это явление вызывает высокие гармонические искажения. А коэффициент мощности нагрузки, питаемой от такого выпрямителя с конденсатором, обычно не превышает 0,3.

Существует простой “пассивный” способ немного сгладить резкие скачки тока, немного увеличить коэффициент мощности и тем самым немного уменьшить гармоники. Метод заключается в добавлении индуктора между диодным мостом и конденсатором фильтра. Это приведет к небольшому округлению пиковых значений в направлении, более близком к синусоидальной форме.

Однако даже в этом случае коэффициент мощности все еще далек от единицы (около 0,7), поскольку входной ток снова не является синусоидальным. А когда к сети подключено так много потребителей с разной мощностью, это становится серьезной проблемой для генератора.

Лучший способ улучшить коэффициент мощности и снизить содержание гармоник в сети – использовать относительно простые схемы активной коррекции коэффициента мощности (ККМ) в импульсных источниках питания на основе повышающих преобразователей. Здесь в схему входного выпрямителя добавляется не только индуктор, но и полевой транзистор с драйвером и контроллером, а также диод.

Во время работы активной схемы PFC полевой транзистор быстро переключается между двумя состояниями.

Первое состояние – когда выключатель замкнут, дроссель питается от выпрямителя, он накапливает энергию в магнитном поле, а диод перевернут и нагрузка питается только от конденсатора фильтра.

Второе состояние – когда транзистор открыт, в этой части цикла диод переходит в состояние проводимости, а дроссель передает энергию в нагрузку и заряжает конденсатор. Это переключение происходит с частотой в десятки килогерц на каждой полуволне синусоидальной волны сети.

Ключевая схема управления регулирует продолжительность прерываний – как долго дроссель подключен к сети и как долго он подает энергию на конденсатор, чтобы напряжение на конденсаторе было постоянным, как и средний ток дросселя. Такое расположение позволяет увеличить коэффициент мощности источника питания до 0,98.

Правильное управление выключателем необходимо для того, чтобы ток потребителя находился в фазе с напряжением сети переменного тока. Для этого контроллер генерирует сигнал управления затвором ШИМ для полевого транзистора таким образом, что дроссель получает меньшую мощность на пике синусоиды, чем вблизи нулевого напряжения (более длительный период).

Контроллер PFC оснащен схемой обратной связи по выходному напряжению (которое сравнивается с эталонным и поддерживается постоянным с помощью ШИМ) и датчиком входного напряжения и тока дросселя для точного контроля среднего тока дросселя в режиме реального времени для обеспечения максимального коэффициента мощности нагрузки.

Если вам понравилась эта статья, не стесняйтесь поделиться ею в социальных сетях. Это поможет нашему сайту развиваться!

Читайте далее: